CN102213840A - 基于透明介质小球的暗斑产生方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于透明介质小球的暗斑产生方法及装置。该方法包括：将切向偏振光束入射到微米量级的透明介质小球，在所述的微米量级的透明介质小球的出射端得到暗斑。该装置依次包括：用于产生切向偏振光束的器件、显微物镜、微米量级的透明介质小球、和用于固定所述微米量级的透明介质小球的盖玻片，切向偏振光束通过显微物镜初步聚焦后，再通过微米量级的透明介质小球进一步聚焦得到暗斑。本发明利用单一光束作为系统工作光束，节约了系统成本，增加了实用性，同时聚焦后的暗斑尺寸可以达到0.414λ，远远小于普通切向偏振光聚焦。而且光束质量也有提高，更有利于实际应用。

Description

基于透明介质小球的暗斑产生方法及装置
技术领域
本发明属于光学计量及超分辨成像领域，具体涉及一种实现超小聚焦场的暗斑聚焦方法及装置。
背景技术
随着当下科技发展，接触到的对象趋向于小型化，需要制造的物体或需要观察的物体都越来越超越传统光学显微镜所能观察到的范围。究其原因是受到衍射极限的限制，聚焦光斑体积无法达到所需要的大小。STED(stimulated emission depletion受激发射损耗)超分辨显微方法给光学显微镜的发展提供了一个比较好的方向，但是STED光需要产生一种中空型光斑，用于消光使得激发光范围更小，实现真正的点探测。而现有的技术依靠切向偏振光通过显微物镜聚焦可以得到一个中空型的光斑，但是光斑尺寸仍较大，不能很好的实现消光效果。为了使STED光学显微技术得到更准确的纳米尺度的信息或结构，甚至产生超小三维暗斑场以实现光镊，超越衍射极限的超小暗斑聚焦就显得非常必要了。
发明内容
本发明提供了一种基于透明介质小球的暗斑产生方法，将切向偏振与微小介质球相结合，实现超小聚焦暗斑。利用单一光束作为系统工作光束，节约了系统成本，增加了实用性；同时，聚焦后的暗斑尺寸在横向上可以达到衍射极限以下，可达到0.414λ，相对于显微物镜聚焦方法得到的暗斑尺寸更小，更有利于实际应用。
一种基于透明介质小球的暗斑产生方法，包括：将切向偏振光束入射到微米量级的透明介质小球，在所述的微米量级的透明介质小球的出射端得到暗斑；
其中，所述的微米量级的透明介质小球的尺寸为1～10um，所述的微米量级的透明介质小球的折射率为1.4～2，所述的微米量级的透明介质小球的球外介质折射率为1～1.33。
上述方法得到的暗斑，为超小聚焦暗斑，其尺寸在横向上可以达到衍射极限以下，可达到0.414λ，远低于显微物镜聚焦方法所得到光斑的横向尺寸。
所述的切向偏振光束，是作为工作光束直接入射；也可以由激光器发出的工作光束转换而来，所述的转换可以通过偏振转换器实现，也可以通过现有技术中其他方法实现。
所述的切向偏振光可以为平行光入射，也可以为汇聚光束作为工作光束入射，优选采用显微物镜将所述的切向偏振光束进行初步聚焦得到汇聚光束，再入射到所述的微米量级的透明介质小球进行聚焦。
本发明还提供了一种用于实现上述基于透明介质小球的暗斑产生方法的装置，依次包括：
用于产生切向偏振光束的器件；
用于将所述的切向偏振光束进行初步聚焦的显微物镜；
用于对所述的显微物镜的出射光进行进一步聚焦得到暗斑的微米量级的透明介质小球；所述的微米量级的透明介质小球的尺寸为1～10um，所述的微米量级的透明介质小球的折射率为1.4～2，所述的微米量级的透明介质小球的球外介质折射率为1～1.33；
用于固定所述微米量级的透明介质小球的盖玻片；
其中，所述的显微物镜、透明介质小球和盖玻片在所述的切向偏振光束的光路上。
本发明装置中，所述的用于产生切向偏振光束的器件，可以为直接发出切向偏振光束的光源；也可以由激光光源和偏振转换器组成，由激光光源发出激光并经偏振转换器转换得到切向偏振光束。偏振转换器可以为现有技术中实现圆柱形偏振光的转换的任何器件与装置，优选为瑞典ARCoptix公司的偏振转换器Radial-Azimuthal Polarization Converter。
本发明装置中，优选所述的微米量级的透明介质小球位于所述的显微物镜的焦平面附近。
由上述装置聚焦后得到的暗斑，其尺寸在横向上可以达到衍射极限以下，可达到0.414λ，远低于显微物镜聚焦所得到光斑的横向尺寸。
本发明的工作原理如下：
将激光器出射的工作光束，通过一个偏振装换器转换为切向偏振光束；而后，光束通过微米量级的透明介质小球聚焦，透明介质小球内的光子散射现象有利于产生倏逝波，有倏逝波参与下的光场更容易实现微小聚焦光斑。而切向偏振光束产生的聚焦光斑为中空型光斑。微米量级的透明介质小球的存在有助于聚焦暗斑的横向压缩。从而，在透明介质小球的出射端会得到一个横向尺寸远小于现有技术产生尺寸大小的聚焦暗斑。
常规透镜聚焦因为受到常规衍射极限的限制(0.61λ/NA)，无法得到更小的聚焦光斑，同理也无法得到更小的聚焦暗斑。而本发明中，将微米量级的透明介质小球与切向偏振光结合，在利用透明介质小球内的光子散射现象产生倏逝波使横向上聚焦更小的同时，又利用切向偏振光聚焦后得到中空型光斑，从而获得低于衍射极限的聚焦暗斑，在水中聚焦暗斑横向尺寸可达到0.414λ。
相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
(1)本发明结构简单，实现原理容易；
(2)本发明方法使用单一波长的偏振光作为工作光束，减少了光源数量，节省了系统成本，增加了实用性；
(3)采用本发明方法和装置得到的聚焦暗斑横向直径可以压缩到0.414λ，远小于现有显微物镜聚焦方法。
(4)本发明方法聚焦暗斑尺寸比现有显微物镜聚焦方法缩小了31％，增大光功率消光效果更为明显，在场STED超分辨显微技术(受激发射损耗显微技术需要产生一个超小的中空型光斑)和光镊等领域都有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明的基于透明介质小球的暗斑产生方法原理图。
图2为本发明用于实现透明介质小球的暗斑产生方法的装置示意图。
图3为本发明中切向偏振光示意图。
图4为采用本发明装置聚焦产生的暗斑在XZ平面内的光强分布示意图。
图5为采用本发明装置聚焦产生的暗斑在XY平面内的光强分布示意图。
图6为本发明装置中采用不同折射率的透明介质小球聚焦产生的暗斑在X方向上的光强分布示意图。
图7为采用本发明装置聚焦产生的暗斑与对比例中不使用透明介质小球聚焦产生的光斑在X方向上的光强分布的示意对比图；其中，实线为采用本发明装置聚焦产生的暗斑在X方向上的光强分布，透明介质小球的折射率为1.8；虚线为不使用透明介质小球，直接聚焦切向偏振光所得暗斑在X方向上的光强分布。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。
如图2所示，一种基于透明介质小球的暗斑产生装置，依次包括：光源1、显微物镜4、盖玻片3和透明介质小球2。其中，显微物镜4，透明介质小球2和盖玻片3位于所用光源1出射偏振工作光束的光路上。透明介质小球2为微米量级的透明介质小球，尺寸为1～10um，折射率为1.4～2。透明介质小球2位于显微物镜4的焦平面附近，并由盖玻片3固定，在透明介质小球2的出射端就会得到一个超小聚焦暗斑。可用于实现STED显微技术中的消光效果，得到一个超小光斑，照射或探测样品5以得到其纳米尺度的信息。
光源1直接产生切向偏振光束，切向偏振光的特点如图3所示，每点的偏振方向都是沿着切线方向，所有点的偏振方向构成一个涡旋。其中光束内每一点的光偏振方向(在x轴的光偏振方向Px、在y轴的光偏振方向Py、在z轴的光偏振方向Pz)可由以下单位矩阵表示：
Figure BDA0000064097750000041
式中，
Figure BDA0000064097750000042
为光束垂直Z轴剖面内位置极坐标矢量与X轴的夹角。
上述的切向偏振光束经过显微物镜4进行初步聚焦成为汇聚光束，汇聚光束通过盖玻片3入射到透明介质小球2进行进一步聚焦，在透明介质小球2的出射端会得到中空型光斑，为超小聚焦暗斑，其横向聚焦尺寸低于衍射极限以下，并远小于常规聚焦光斑，可用于实现STED显微技术中的消光效果，得到一个超小光斑，以照射或探测样品5以得到其纳米尺度的信息。
上述的超小聚焦暗斑在XZ平面内的光强分布示意图如图4所示，在XY平面内的光强分布示意图如图5所示。从图4和5中可以看出，该超小聚焦暗斑为一个中空的环形光斑。
上述的基于透明介质小球的暗斑产生装置还可以有很多变形，如光源1也可以用激光光源和偏振转换器组成的器件取代，这样，由激光光源发出激光，再经偏振转换器转换得到切向偏振光束。偏振转换器可采用瑞典ARCoptix公司的Radial-Azimuthal Polarization Converter。再如，也可以不采用显微物镜4，切向偏振光束直接入射到透明介质小球2进行聚焦，如图1所示。
上述的基于透明介质小球的暗斑产生装置中，采用常用的波长为676nm的红光光束为切向偏振工作光束，采用尺寸为3um的不同折射率的透明介质小球2，在溶液中观察，小球外介质(即溶液，如水等介质)的折射率选用1.33，当小球的折射率变化时，得到的聚焦暗斑的尺寸会有所不同。图6为采用不同折射率的透明介质小球得到的聚焦暗斑在X方向的分布情况。从图6中可以看出，随着透明介质小球2的折射率的不断增大，聚焦暗斑尺寸减小，但在折射率增加到一定程度时聚焦暗斑尺寸又开始变大。当选择透明介质小球2的折射率为1.8时，聚焦暗斑的横向尺寸达到最小为0.414λ。
为了进行对比，这里还给出了不使用透明介质小球进行聚焦的对比例，即，光源1发出的切向偏振工作光束，直接经过显微物镜4聚焦得到聚焦光斑。该聚焦光斑也为中空型的暗斑光斑，但光斑尺寸较大，其在X方向上的光强分布如图7中虚线所示。而图7中实线给出了采用上述的透明介质小球2的折射率为1.8时得到的聚焦光斑在X方向上的光强分布。从图7中可以看出，采用本发明装置(使用透明介质小球)聚焦产生的暗斑尺寸为0.414λ，而对比例中(不使用透明介质小球)聚焦得到的暗斑尺寸为0.6λ。因此，本发明装置使用透明介质小球产生的聚焦暗斑尺寸更小，效果显著，比现有显微物镜聚焦方法暗斑尺寸缩小了31％，更加有利于实现STED显微技术中的中空型消光光斑。

Claims (4)

1.一种基于透明介质小球的暗斑产生方法，其特征在于，包括：将切向偏振光束入射到微米量级的透明介质小球，在所述的微米量级的透明介质小球的出射端得到暗斑；
其中，所述的微米量级的透明介质小球的尺寸为1～10um，所述的微米量级的透明介质小球的折射率为1.4～2，所述的微米量级的透明介质小球的球外介质折射率为1～1.33。
2.如权利要求1所述的基于透明介质小球的暗斑产生方法，其特征在于，采用显微物镜将所述的切向偏振光束进行初步聚焦得到汇聚光束，再入射到所述的微米量级的透明介质小球进行聚焦。
3.一种用于实现如权利要求1或2所述的基于透明介质小球的暗斑产生方法的装置，其特征在于，依次包括：
用于产生切向偏振光束的器件；
用于将所述的切向偏振光束进行初步聚焦的显微物镜；
用于对所述的显微物镜的出射光进行进一步聚焦得到暗斑的微米量级的透明介质小球；所述的微米量级的透明介质小球的尺寸为1～10um，所述的微米量级的透明介质小球的折射率为1.4～2，所述的微米量级的透明介质小球的球外介质折射率为1～1.33；
用于固定所述微米量级的透明介质小球的盖玻片；
其中，所述的显微物镜、透明介质小球和盖玻片在所述的切向偏振光束的光路上。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的微米量级的透明介质小球位于所述的显微物镜的焦平面附近。
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